ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Спектральная характеристика светоизлучающих диодов выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения прибора. Обычно излучение светодиодов является монохроматическим. Ширина максимума спектральной характеристики излучения по уровню 0,5 составляет Δλ = 0.03÷0.05 мкм. Длина волны излучаемого света λ определяется разностью энергий ΔE двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации

λ = hc/ΔE, (3)

где h = 6.626·10^–34 Дж·с = 4.14·10⁻¹⁵эВ·с – постоянная Планка,

с = 2.998·10⁸ м/c – скорость света.

Величина ΔE близка к энергетической ширине запрещенной зоны полупроводника (ΔE ≤ ΔW). Чтобы кванты света – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света (0.4 < λ < 0.7 мкм), ширина запрещенной зоны должна быть относительно большой (ΔW > 1.8 эВ).

В настоящее время для изготовления светоизлучающих диодов используются кристаллы соединений типов А_IIIВ_V (элементов III и V групп таблицы Менделеева) табл. 1:

– арсенид галлия GaAs, ΔW = 1.42 эВ, максимум излучения лежит в инфракрасной области λ = 0.89 мкм;

– фосфид галлия GaР, ΔW = 2.27 эВ, максимум излучения в зеленой области спектра λ = 0.55 мкм;

– нитрид галлия GaN, который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны ΔW = 3.4 эВ, что позволяет получать излучение в синей области, вплоть до фиолетового.

Тройные соединения GaAs_x–1 P_x и GaAs_x–1 Al_x, где x – концентрация фосфора или алюминия, используют, в основном, для получения диодов красного цвета свечения. Кроме того, находят применение и другие широкозонные полупроводники, например, карбид кремния SiC (A_IVB_IV) свечение в диапазоне λ = 0.56÷0.63 мкм, сульфид цинка ZnS (A_IIB_VI) ΔW = 3.74 эВ, максимум спектрального распределения излучения на длине волны λ = 0.38 мкм (фиолетовая часть спектра).

Диоды на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными максимумами излучения с длинами волн λ = 0.55 мкм и λ = 0.70 мкм. В зависимости от вида и количества легирующих примесей (цинк, кислород или азот) внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, изменяются соотношения между этими максимумами. В результате получают диоды зеленого, желто-оранжевого или красного цвета свечения.

Арсенид галлия GaAs является прямозонным полупроводником. В прямозонных полупроводниках могут происходить как излучательные, так и безизлучательные рекомбинации. Соотношение между излучательными и безизлучательными рекомбинациями характеризует внутренний квантовый выход η, который является важнейшим показателем светоизлучающего диода:

η_внутр = N_изл/ N_инж, (4)

где N_изл – число излученных фотонов, а N_инж – число инжектированных носителей в единицу времени.

Внутренний квантовый выход определяется соотношением концентраций и сечений захвата центров излучательной и безизлучательной рекомбинации. Поэтому в окрестности p–n-перехода стремятся снизить количество дефектов кристаллической решетки и нежелательных примесей с тем, чтобы уменьшить скорость безизлучательной рекомбинации.

Фосфид галлия является непрямозонным полупроводником. В тройных соединениях GaAsP отношение прямых и непрямых переходов уменьшается с увеличением концентрации фосфора. Основной вклад в излучательную рекомбинацию вносит рекомбинация через примесные центры.

Основными легирующими соединениями в светодиодах на основе соединений А_IIIВ_V являются:

– элементы II группы Zn и Mg – акцепторы;

– элемент V группы N – изоэлектронная примесь;

– элементы VI группы S, Se, Te – доноры;

– комплексы Zn-O, Cd-O, которые играют роль глубоких ловушек для электронов.

На первой ступени акта рекомбинации (переход электрона из зоны проводимости на донорный уровень или переход с акцепторного уровня в валентную зону) изменяется волновой вектор электрона. Ионы доноров или акцепторов являются своеобразными посредниками, получающими от электрона и передающими решетке импульс фонона. Благодаря этому становятся возможными излучательные переходы с донорного или акцепторного уровней (рис. 4 и 6). Следует отметить, что рекомбинация через примесные центры характеризуется меньшей величиной энергии фотона (сдвиг в красную область спектра), чем при прямом межзонном переходе. При этом характерно, что энергия фотона при рекомбинации донор – свободная дырка в n-полупроводнике (рис. 4, б) обычно больше, чем акцептор – свободный электрон в p-полупроводнике (рис. 4,в). Причина состоит в том, что глубина залегания донорных уровней обычно меньше, чем акцепторных.

В видимой области спектра внутренний квантовый выход η_внутр у диодов с гомопереходом составляет единицы процентов, у диодов с гетеропереходом – может составлять единицы – десятки процентов.